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Low-Power-Prozessor im ESP32 minimiert den Strombedarf


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Deep-Sleep-Test-Software

Für die Verbrauchsmessungen des ESP32-Wrover-Moduls haben die Autoren ein Programm aus dem ESP32-IDF-Repository verwendet. Es versetzt den ESP32 für 20 s in Deep Sleep Mode und weckt ihn über Timer oder Tastendruck wieder auf. Wahlweise kann auch konfiguriert werden, das SOC bei einem Temperaturanstieg über 5 K zu wecken. Kompiliert wurde die Software auf einer Ubuntu 18.04 »Bionic Beaver«-Plattform innerhalb der Espressif-Entwicklungsumgebung.

Das Programm ist mit ca. 300 Zeilen recht übersichtlich; allerdings sind die Funktionen für den ULP erwartungsgemäß kryptisch, da Assemblercode.

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Strombedarf liegt bei etwa 175 µA

Die durchgeführten Messungen ergaben einen durchschnittlichen Strombedarf von 175 µA auf der 3,3-V-Schiene zum Modul. Dieses Ergebnis ist auch im Einklang mit Messungen anderer User aus der Espressif Community, die noch etwas niedriger – nämlich bei etwa 150 µA – liegen.

Die Ursache dieser Differenz dürfte im aktiven Wake-up Timer liegen, der zum regelmäßigen Aufwachen aus dem Deep Sleep Mode notwendig ist. Das Pseudo-SRAM des ESP32-Wrover-Moduls scheidet als Ursache aus, das es genau wie das serielle Flash im Deep-Sleep-Modus über einen Schaltausgang des ESP32 von der Stromversorgung getrennt wird.

In der Software war zudem auch die Abfrage des Temperatursensors über ADC deaktiviert, sodass sich der Strombedarf um etwa 25 µA gegenüber einem ersten Messwert von ca. 200 µA senken ließ.

Um nun eine Abschätzung zum Einsatz des ESP32 in einer batteriebetriebenen Anwendung zu geben, kommt bei der Testanordnung eine kompakte Lithium-Batterie vom Typ CR123 mit einer Kapazität von 1.500 mAh zum Einsatz. Dieser Batterietyp hat eine sehr geringe Selbstentladung von weniger als 1 % pro Jahr, sodass dieser Effekt vernachlässigt werden kann.

Weniger elegant ist der Umstand, dass dieser Batterietyp 3 V Nennspannung besitzt und bis zum Ende der Standzeit auf etwa 1,8 V absinkt. Deswegen ist für den Batteriebetrieb auf jeden Fall ein Dual-Mode-Spannungsregler – etwa ein Ricoh RP6008 – einzusetzen, der eine konstante Versorgungsspannung unabhängig von der Eingangsspannung gewährleistet. Die Autoren setzen für diese Wandlung einen Wirkungsgrad von 90 % an; die effektiv verfügbare Batteriekapazität sinkt also auf 1350 mAh (bei 22 °C).

Neun Monate Lebensdauer mit einer Knopfzelle

Zur Abschätzung des Energiebedarfs bei der drahtlosen (WiFi-)Datenübertragung wird als Annahme eine stündliche Datenübertragung mit einer Dauer von jeweils 1 s und einem Strombedarf von 140 mA vorausgesetzt. Grundsätzlich können solche WiFi-Bursts mit wenigen 100 Bytes einschließlich dem Booten eines RTOS innerhalb von etwa 100 ms durchgeführt werden, doch die Autoren gehen für diese Abschätzung von einem Worst-Case-Szenario aus.

Nun ergibt sich für den Deep-Sleep-Betrieb pro Tag 175 µA × 24 h = 4.2 mAh, während für die Sendebursts 140 mA × 1 s / 3600 s/h × 24 = 0,93 mAh anzusetzen sind. In Summe ergibt sich damit ein Bedarf von 5,13 mAh je Tag. In Bezug zur Kapazität der Batterie ergibt daraus eine rechnerische Standzeit von 263,16 Tagen. Ein WiFi-Sensorknoten mit dem ESP32 lässt sich also in diesem Berechnungsmodell etwa neun Monate mit einer Lithium-CR123-Zelle betreiben, was einen durchaus akzeptablen Wert darstellt.


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